淤泥質(zhì)潮灘主要由細顆粒的淤泥組成,是蘇北平原海岸典型的海岸類型。受自然條件限制,利用常規(guī)方法測量潮灘高程的成本高,數(shù)據(jù)更新周期緩慢,而遙感方法具有信息量大、同步大范圍、空間多尺度、受地面條件限制少等特點,在潮灘概要地形信息獲取方面有很大的優(yōu)勢。已有的潮灘遙感研究以多光譜遙感為主,高光譜遙感以其在可見光-近紅外波段范圍內(nèi)的高光譜分辨能力以及信息獲取能力引起越來越多研究者的重視,利用高光譜遙感技術進行潮灘特征信息提取成為潮灘遙感的重要研究方向。 本文以江蘇大豐王港潮灘為研究區(qū),利用星載Hyperion高光譜影像、Lidar實測高程數(shù)據(jù)、潮灘采集沉積物樣品為數(shù)據(jù)源,開展了潮灘灘面高程的高光譜定量遙感反演試驗研究。論文首先建立了高光譜影像像元反射率與實測高程的統(tǒng)計相關模型,利用“反射率法”進行了高程遙感反演嘗試；其次考慮到潮灘沉積物中值粒徑及含水量是影響潮灘地表反射率的重要因素,沉積物粒徑大小以及含水量高低的變化與潮灘高程之間存在密切聯(lián)系,因此在利用遙感方法提取中值粒徑及含水量空間分布圖層的基礎上,分別建立了遙感中值粒徑與高程、遙感含水量與高程之間的定量模型,實現(xiàn)了“中值粒徑法”和“含水量法”的潮灘灘面高程遙感應用,為遙感方法反演得到潮灘高程尋求機理性解釋；最后,在沉積物類型一致的前提下,計算三類遙感反演高程與沉積物類型之間的頻率比,分析遙感反演高程與沉積物空間的分布關系,探討三種高程反演方法各自的適用性,闡明高光譜遙感反演潮灘概要地形的可行性。本研究的主要內(nèi)容及相關結論如下： 一、基于“反射率法”的潮灘灘面高程遙感反演研究。建立了Hyperion影像反射率與高程之間的單波段和多波段線性回歸模型,進行了灘面高程遙感反演。研究結果表明：(1)短波紅外波段區(qū)間的地表反射率對灘面高程變化較為敏感,1164nm、1275nm、1336nm波段是高程反演的理想波段,利用理想波段建立的單波段模型和多波段線性回歸模型均可有效用于灘面高程反演,但是多波段線性回歸模型在高程反演結果上沒有明顯改善；(2)灘面的微地形如沙波、沙紋和潮溝等地貌形態(tài)通過影響沉積物粒徑大小和含水量等的空間分布,對地表反射率產(chǎn)生影響,需要通過空間分區(qū)的方式將潮灘分為平坦區(qū)和起伏區(qū),分別進行高程建模與反演。對比看出,分區(qū)前潮灘整體高程建模與驗證相關系數(shù)分別為-0.302和-0.473,分區(qū)后北灘、南灘建模與驗證相關系數(shù)為0.559、0.526和0.762、0.699,高程反演結果有較明顯的改善；(3)從整體形態(tài)對比來看,反射率法反演得到的潮灘高程與實測高程具有大致相同的由陸向海逐漸降低的變化趨勢,但是對于潮溝邊緣的細顆粒沉積區(qū)域高程反演較差,總體反演得到的高程比較平緩；(4)從斷面高程形態(tài)對比分析來看,四條驗證斷面的平均實測最大高差135.5cm,平均反演高程高差76cm,北灘斷面平均絕對誤差MAE (Mean Absolute Error)和平均相對誤差MRE(Mean Relative Error)分別為7.75cm、6.2%,南灘則高于北灘,分別為36.75cm、141%, RMSE (Root Mean Square Error)體現(xiàn)了反演高程同實測高程值之間的偏差,北灘斷面平均小于南灘斷面平均,分別為9.5cm和45.2cm,證明在起伏程度小的北灘,反演斷面高程形態(tài)比南灘更接近實際。 二、基于“中值粒徑法”的潮灘灘面高程遙感反演研究。利用實測的161個采樣點的沉積物中值粒徑數(shù)據(jù),結合高光譜影像反射率,建立了潮灘中值粒徑反演模型,得到潮灘中值粒徑的空間分布。以此為基礎,在遙感中值粒徑圖層上提取斷面中值粒徑,建立與高程的統(tǒng)計模型,應用于遙感中值粒徑圖層,實現(xiàn)潮灘灘面高程反演。研究結果表明：(1)利用993nm反射率的單波段模型反演潮灘中值粒徑比波段組合模型簡捷且相關系數(shù)相差不大,能夠有效反演中值粒徑的空間分布,建模與驗證相關系數(shù)分別為0.891和0.842,同時對比得出粒徑較粗的沉積物類型反演效果優(yōu)于粒徑較細的沉積物；(2)應用“中值粒徑法”的潮灘灘面高程反演,北灘建模驗證相關系數(shù)為0.485和0.438,南灘為0.627和0.636；(3)“中值粒徑法”與“反射率法”的模型結果接近,但從反演效果來看,“中值粒徑法”在潮灘起伏區(qū)沉積物顆粒細的地方更接近實際地形。 三、基于“含水量法”的潮灘灘面高程遙感反演研究。首先選取2282nm、1044nm及1296nm波段作為構建NEWCI指數(shù)(Nonnalized Enhanced Water Content Index)的特征波段,建立含水量模型,應用于潮灘高光譜影像,得到潮灘沉積物含水量分布；然后提取斷面含水量,與實測高程建模,反演得到潮灘灘面高程。研究結果表明：(1)NEWCI是反演潮灘沉積物含水量的有效因子,利用NEWCI方法反演的潮灘沉積物含水量,建模與驗證相關系數(shù)分別為0.837、0.842,反演模型可靠,可以進行潮灘沉積物含水量反演；(2)“含水量法”最終的反演高程建模與驗證相關系數(shù)在北灘為0.533和0.48,南灘為0.71和0.716；(3)“含水量法”的模型精度稍低于“反射率法”,高于“中值粒徑法”,從反演效果上看,“含水量法”在潮灘平坦區(qū)含水量值較高的區(qū)域更接近實際地形。 四、遙感反演高程與沉積物空間分布分析。運用ArcGIS空間分析技術,在沉積物類型一致的前提下,計算高程與沉積物之間的頻率比,探討高程與沉積物類型的空間關系。研究結果表明：(1)三種反演高程都較好的體現(xiàn)了沉積物中砂、粉砂質(zhì)砂類型區(qū)的部分高程數(shù)值,僅有“中值粒徑法”反演高程體現(xiàn)了砂質(zhì)粉砂類型區(qū)中位于-0.01-0.22m的實測高程；(2)三種高程反演方法都沒有體現(xiàn)出實測高程中粉砂位于-0.01-0.22m及大于1.31m的兩大區(qū)域值。究其原因認為,粉砂的顆粒相對較細,顆粒組成影響沉積物中值粒徑及持水能力,因而反演結果較差；(3)實測高程中,粉砂質(zhì)砂與地形的相關性最高,三類遙感高程都反演出了粉砂質(zhì)砂中的一部分區(qū)域證實了這一點,三類反演高程與沉積物類型的相關性與實測高程存在差異的部分,則是各類反演高程與實測高程偏差的主要部分。 五、總體來看,“反射率法”、“中值粒徑法”和“含水量法”,反演高程的結果接近,其中和高程建立模型的中值粒徑與含水量數(shù)據(jù)本身由高光譜影像反演得到,已經(jīng)存在一定程度上的誤差,在接下來的建模過程中,可能會涉及誤差的傳遞,進而影響反演結果。從空間處理與分析的結果可以看出,在潮灘高程反演時,可以結合具體的潮灘沉積物類型,挑選適宜的高程反演方法。從三種方法的反演結果可以看出,雖然在局部地勢起伏較大的區(qū)域反演效果不佳,但遙感反演技術能夠有效模擬出潮灘地形的平均變化趨勢,得到潮灘的概要地形信息,因而可為大范圍潮灘的沖淤變化分析提供可靠依據(jù)。
【學位單位】：南京師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：P737.1;TP79

【參考文獻】

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4 王愛軍,汪亞平,楊e

本文編號：2820832